水平管气液段塞流发展过程和相界面结构研究

摘要

气液段塞流广泛存在于石油、化工和核能等领域，段塞流流动带来的压力和流量的波动对深海油田开发、生产设备设计具有重要影响，所以深入研究段塞流的流动特性具有重要的工程意义和学术价值。 本文采用空气、水作为实验介质，在自行搭建的水平管气液两相流环道上，利用双平行电导探针互相关法，测量沿管路流动方向不同位置处的液塞频率、液塞长度、液塞速度等流动参数，通过高清摄像机捕捉气液界面的起塞过程，对液塞的发展过程进行分析。基于OpenFOAM开源软件，利用界面捕捉方法建立统一的水平管气液两相流三维数值模型，对不同工况下段塞流的发展过程进行模拟，分析发展中以及充分发展液塞的运动特征、相界面结构、长气泡瞬态结构以及液塞和长气泡的压力、速度场分布情况。 研究表明，由于气、液速度差在入口附近形成较为规则的界面波，界面波以波速不变、波长加倍、波幅加倍、频率减半的合并方式向前移动，直到波幅达到一定高度后失稳，发生起塞现象。起塞产生的水跃面所引起重力波的传播对气液界面的起塞规律有重要影响。当气液界面高度达到界面失稳的临界液位高度时发生起塞现象，如果起塞后降至的最低液位高度能够达到液塞稳定的临界液位高度，则可以形成稳定液塞，否则退化为滚动波。 另外研究发现，在气体推动下液塞头部存在抛出现象。对于发展中液塞，气液速度差较小时，液塞头部抛出现象不明显，液塞在气体推动下速度均衡地向前移动，吸收前方液膜；气液速度差较大时，液塞头部有明显的抛出现象，液塞通过抛出、下落的周期性运动向前推进，吸收液膜。液塞上部液体速度大于下部液体速度，液塞头的平均速度大于液塞尾的平均速度。对于充分发展的液塞，液塞头部没有抛出、下落的周期性现象，液塞以头部向前抛出的方式速度均衡地向前移动，且速度场分布均匀。从上游长气泡头部到液塞尾部压力发生突增，从液塞头到下游液膜区压力发生突降。 随着气速的增加，液塞含气率增大，液塞头部抛出程度增大，液塞上、下两部分速度差增大，长气泡长度变长，气弹头变长且下降变缓，液膜头部增压区变长。随着液速的增加，液塞相界面结构变化不明显，长气泡的长度明显变短，水跃面降低，水跃面后形成一个阶梯状结构的气弹尾，且气弹尾随着液速的增加显著增长。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 气液界面起塞机理研究

1.2.2 气液段塞流流动特性的实验研究

1.2.3 气液段塞流流动特性的模拟研究

1.3 本文研究内容

第2章 实验系统与测量方法

2.1实验环路

2.1.1 气相循环系统

2.1.2 液相循环系统

2.1.3 气液混合实验系统

2.2测量仪表与数据采集处理系统

2.2.1 测量仪表

2.2.2 数据采集系统

2.2.3 数据处理

2.3实验流程

2.4实验介质

2.5实验矩阵

第3章 水平管气液段塞流发展过程实验研究

3.1 水平管气液段塞流起塞特性

3.1.1 段塞流区域划分

3.1.2 气液界面起塞特性

3.1.3 气液速对起塞特性的影响

3.2 水平管气液段塞流发展特性

3.2.1 液塞频率分析

3.2.2 液塞长度和液塞间隔时长分析

3.2.3 液塞速度分析

3.3 本章总结

第4章 水平管气液两相流三维数值模型

4.1 OpenFOAM介绍

4.1.1 OpenFOAM的特点

4.1.2 OpenFOAM方程呈现

4.1.3 OpenFOAM运行流程

4.1.4 OpenFOAM与商业软件的比较

4.2 interFoam求解器评估

4.2.1 溃坝问题

4.2.2 气泡上浮问题

4.3模型构建

4.3.1 VOF模型

4.3.2 控制方程

4.3.3 计算模型、数值方法和边界初始条件

4.3.4 湍流模型

4.3.5 网格、时间步长独立性分析

4.4数据提取及并行运算实现

4.4.1 数据提取

4.4.2 并行运算实现

4.5 模型验证

4.6 本章小结

第5章 水平管气液段塞流界面瞬态特征数值研究

5.1 起塞特性

5.2 液塞运动特征

5.2.1 发展中液塞

5.2.2 充分发展液塞

5.3 液塞界面瞬态特征

5.3.1 液塞局部结构特征

5.3.2气液速对液塞结构影响

5.4 长气泡界面瞬态特征

5.4.1 长气泡局部结构特征

5.4.2气液速对长气泡结构影响

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢